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坩埚钢

坩埚钢（英语：crucible steel）指在坩埚中融化铁合金制成的钢。生铁碳含量高，虽硬但容易断裂；熟铁碳含量低，虽有弹性但容易变形；钢的碳含量介于两者之间，兼具两者优点，因此控制钢的碳含量关乎其品质。坩埚钢由于隔离了原料与热源，可以精准控制产品的碳含量，得以铸造品质优良的机械或工具用钢[1]。在坩埚中添加助焊剂（如石灰石）则可以去除铁浆中的硫、硅和其他杂质。

Kirk nardebàn是一种坩埚钢制刀刃特有的图纹。桑德王朝，1750-1794。伊朗。（Moshtagh Khorasani, 2006, 506）

中世纪炼坩埚钢时，使用煤或木炭来加热坩埚，很难升温至可以融化熟铁或钢的温度，但可以融化含碳量较高、较易融化的生铁。因此，南亚和中亚的工匠会将熟铁或钢浸泡在融化的生铁中，使生铁中的碳扩散到熟铁或钢里，以降低生铁的含碳量。融化的生铁和无法完全融化的熟铁或钢会组成一种高碳、不均匀的复合钢，锻造或抛光时钢材上会自然出现复杂的图案，著名的例子为用以铸造大马士革剑的乌兹钢。坩埚钢与当时以其他方法炼制的钢相比，其碳含量与品质更高。

18世纪，英国的班杰明·亨茨曼改良了坩埚钢的炼制方法，去除更多杂质，并消除了中世纪复合钢的不均匀性。亨茨曼使用焦炭来加热，产生的温度可以完全融化熟铁和钢，使不同含碳量的原料可以均匀混和；不再使用生铁链钢；花更长时间融化并冷却铁浆，让碳可以更均匀的扩散；加入助焊剂使杂质可以浮到铁浆表层以方便去除。亨茨曼开启了现代化的炼钢工艺，优质钢材制造的零件、机械有助于工业革命的发展。

传统坩埚钢

工业革命以前，坩埚钢产业聚落分布于印度、斯里兰卡或中亚。这些地区生产的坩埚钢被进口至阿拉伯世界，以可制造品质良好的武器如大马士革剑而闻名。根据伊斯兰文本记载，坩埚钢有三种传统生产方法[2]：

一、固体渗碳法：将熟铁装在坩埚或木炭炉中加热，以使适量的碳渗入熟铁[3]。由于技术限制，坩埚无法升温至熔化熟铁的温度，原料会在固态下完成渗碳。关于碳的来源，现代伊朗政府指定了多种有机材料，包含石榴皮、橡子、橙皮等果皮、树叶以及蛋清和贝壳，一些印度资料中也有提到木片，但没有任何资料提到木炭[4]。固体渗碳法最常见，是乌兹钢的工艺基础，被称为乌兹渗碳法或印度法[5]。

二、将生铁脱碳[6]。

三、共熔法（co-fusion process）或复合融熔法：将不同碳含量的铁合金同时在坩锅中熔化混和（但熟铁熔化不完全）使碳由高碳铁进入低碳铁[3]。该方法的变体主要出现在波斯和中亚，但在印度海得拉巴也有发现[7]，被称为德干法（Deccani，用于制造水波纹剑刃）或海得拉巴法（Hyderabad process）。 [8]

 
坩埚钢制剑刃的“木纹”图案，桑德或卡扎尔早期，伊朗。（Moshtagh Khorasani 2006, 516）

考古

印度与斯里兰卡曾出土公元300年前的坩埚钢。印度铁矿石中含有微量的钒和其他元素，使当地生产的坩埚钢淬透性极佳。一般认为其他地区出土的坩埚钢（如德国的Ulfberht swords）是贸易自印度与斯里兰卡[9]，中亚的梅尔夫和阿希基特（Akhsikath）地区直到后期才成为重要的生产中心[10]。

南印度和斯里兰卡

印度－斯里兰卡传统的坩埚钢生产技术被称为乌兹工艺，产品被殴洲人称为乌兹钢（wootz，可能是是ukko一词的英文变体），在阿拉伯世界被称为大马士革钢[11][12]。许多民族志记载过印度坩埚钢的生产，然而由于考古规模有限，目前只确认了四个地区的生产遗迹（一个在斯里兰卡，其他在印度）[13]。

印度南部已确定的坩埚钢生产遗迹至少可以追溯到16世纪中叶[14]，而尚未确认的遗迹中，最早的一个可以追溯至公元前三世纪至公元三世纪[15]。海德拉巴大约在17世纪成为主要的生产中心，和其他地方使用的渗碳法不同，当地人以复合熔融将两种不同碳含量的铁合金融合在一起[16]。

斯里兰卡最早确认的坩埚钢遗址位于中部高地北部地区的指关节山脉（knuckles）地区，可追溯至公元6世纪 -10世纪[17]。斯里兰卡的坩埚钢至少在9~10世纪就已经外销并享有盛名[18]，与印度的钢铁产业并存[19]。12世纪，斯里兰卡的Serendib似乎是坩埚钢的主要生产地，但产量在接下来的几个世纪中下降，19世纪当地只剩下一个小工业区[20]。

最新的考古调查显示，古代斯里兰卡使用过去未知的生产技术[21]。斯里兰卡的技术系统独立于印度和中东[22]，使用类似于锻铁的渗碳法[21]，还发现一处位于Samanalawewa的古炼制厂在炼铁过程中可能利用了当地盛行的西风。

中亚

中亚在公元1世纪晚期开始生产坩埚钢[23]。从考古遗址可以确定中亚在约8世纪末到12世纪末曾大规模生产[24]。

乌兹别克东部两个最著名的生产遗址是费尔干纳山谷的阿希基特（Akhsiket）和帕普（Pap）[25]。考古发现数十万个坩埚碎片，大部分带有大量炉渣，与9~12世纪的炼钢有关[23]。考古学家还确定了阿希基特遗址使用的渗碳法[4]非常独特且仅出现于当地，因此被命名为费尔纳干法（Ferghana Process）[26]。当地大约持续使用了费尔纳干法约四个世纪。

伊斯兰学者肯迪（公元801~866年）提到呼罗珊地区（包含内沙布尔、梅尔夫、赫拉特和巴尔赫等城市）在公元9世纪是钢铁生产中心[27]。在梅尔夫发现的冶铁工坊遗址可追溯至9世纪~10世纪初，可以从中了解当时如何使用共熔法制造坩埚钢[28]，可能与印度海德拉巴地区的制造工艺有关[29]。

外界研究

中世纪的伊斯兰世界出现了一些关于剑与钢的科学研究，例如8世纪的贾比尔、9世纪的肯迪、11世纪初的比鲁尼、12世纪后期的奥塔苏西（al-Tarsusi）和13世纪的Fakhr-i-Mudabbir。

欧洲可能在中世纪后期开始接触亚洲生产的坩埚钢[30]。16世纪已经出现实验，研究对象被称为大马士革钢，但不确定这批实验品确切的产地来源。17世纪中叶之后，欧洲人借由旅行者如弗朗西斯·布坎南的纪录了解印度具有锻造坩埚钢的技术[31]。18世纪之后，许多欧洲科学家开始深入研究印度乌兹钢[32]，例如麦可‧法拉第与乔治·皮尔森[33]（George Pearson，第一个在著作中使用"乌兹钢"一词的科学家[34]）。

一名研究人员大卫·穆希特（David Mushet）破解了印度乌兹钢的制造方法[35]，并于1800年为此申请了专利[36]。然而早在1740年代，班杰明·亨茨曼就已经开发出第一个成功的欧洲坩埚钢制程[37]。

近代制程

18世纪，英国的班杰明·亨茨曼设计了一种新的坩埚钢制程。他将碳钢放在封闭式坩埚中以焦炭加热，能够达到1600°C的高温，足以将碳钢完全熔化。因此，亨茨曼生产的钢铁与传统制程不同，是均质、没有花纹的[38]。由于亨茨曼的方法可以完全熔化钢铁，人们第一次有生产合金钢的能力[39]，因为制造合金钢必须把其他金属丢入完全熔化的铁浆中。

随著电弧炉的兴起，坩埚逐渐在炼铁工艺中被淘汰[40]。

参见

外部链接

参考资料

  1. ^ The Editors of Encyclopaedia Britannica. Crucible process. Britannica. 2021-06-16 [2021-08-26]. （原始内容存档于2021-08-26） （英语）. All high-quality tool steel and high-speed steel was long made by the crucible process,... 
  2. ^ Feuerbach et al 1997, 105
  3. ^ 3.0 3.1 Feuerbach et al 1995, 12
  4. ^ 4.0 4.1 Rehren and Papakhristu 2000
  5. ^ Feuerbach et al 1998, 38
  6. ^ Feuerbach et al 1998, 38
  7. ^ Feuerbach et al 1998, 39
  8. ^ Srinivasan 1994, 56
  9. ^ Feuerbach 2002, 13
  10. ^ Ranganathan and Srinivasan 2004, 126
  11. ^ Srinivasan 1994
  12. ^ Srinivasan & Griffiths
  13. ^ Griffiths and Srinivasan 1997, 111
  14. ^ Srinivasan 1994, 52
  15. ^ Craddock 2003, 245
  16. ^ Moshtagh Khorasani 2006, 108
  17. ^ Feuerbach 2002, 168
  18. ^ Juleff 1998, 221
  19. ^ Juleff 1998, 220
  20. ^ Craddock 1995, 279
  21. ^ 21.0 21.1 Ranganathan and Srinivasan 2004, 125
  22. ^ Bronson 1986, 43
  23. ^ 23.0 23.1 Papakhristu and Rehren 2002, 69
  24. ^ Rehren and Papakhristu 2000, 55
  25. ^ Rehren and Papakhristu 2000, 58
  26. ^ Rehren and Papakhristu 2000, 67
  27. ^ Feuerbach 2003, 258
  28. ^ Feuerbach 1997, 109
  29. ^ Feuerbach 2003, 264
  30. ^ Craddock 2003, 251
  31. ^ Ranganathan and Srinivasan 2004, 60
  32. ^ Ranganathan and Srinivasan 2004, 78
  33. ^ Ranganathan and Srinivasan 2004, 79
  34. ^ Bronson 1986, 30
  35. ^ Bronson 1986, 31
  36. ^ Needham 1958, 132
  37. ^ Craddock 1995, 283
  38. ^ The Editors of Encyclopaedia Britannica. Crucible process. Britannica. 2021-06-16 [2021-08-26]. （原始内容存档于2021-08-26） （英语）. The process was devised again in Britain about 1740 by Benjamin Huntsman, who heated small pieces of carbon steel in a closed fireclay crucible placed in a coke fire. The temperature he was able to achieve (1,600 °C [2,900 °F]) was high enough to permit melting steel for the first time, producing a homogeneous metal of uniform composition that he used to manufacture watch and clock springs. 
  39. ^ The Editors of Encyclopaedia Britannica. Crucible process. Britannica. 2021-06-16 [2021-08-26]. （原始内容存档于2021-08-26） （英语）. The crucible process allowed alloy steels to be produced for the first time, since alloying elements could be added to the molten metal in the crucible 
  40. ^ The Editors of Encyclopaedia Britannica. Crucible process. Britannica. 2021-06-16 [2021-08-26]. （原始内容存档于2021-08-26） （英语）. ...but it went into decline from the early 20th century, as electric-arc furnaces became more widely used. It is believed that the last crucible furnace in Sheffield was operated until 1968. 
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